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第4期
2021年2月No.4February，2021
0 引言
半导体温差发电利用了塞贝克效应（Seebeck Effect ）直接将热能转换为电能，在发电时无须先将热能转化为机械能再由机械能转化为电能的间接转换过程，整个发电装置没有活动的机械部分，只要半导体PN 结两端存在温度差就能输出电能，具有无噪音、维护成本低、长寿命等优点， 装配平台逐渐受到人们的重视[1-5]
。通过选择合适的半导体材料种类，半导体温差发电单元可以在很宽的温度范围内（300K~ 1 400K ）实现热能到电能的直接转换。但由不同半导体材料和装置结构组成的温差发电组件，在相同的温差场条件下，发电组件的输出功率、输出电压、输出电流、稳定性等组件性能参数都存在着较大差异。因此，优化半导体温差发电组件，提高温差发电组件热电转换效率，探究如何发挥热电组 件性能有着重要的现实意义[3-5]
。本文将以半导体温差发电原理为基础，从理论上推导温差发电效率公式并分析其影响因素，最后进行实验探究与验证。1 半导体温差发电原理
塞贝克效应的实质在于两种金属或半导体材料接触时产生了接触电势差，半导体的接触电势差远大于金属导体，因此温差发电的电动势单元一般采用半导体材料制成。如图1所示，半导体单元从温度为高温热源处吸热，其中部分热量转换为电能向负载输出，另一部分热量向温度为低温热源排放。在此过程中产生的温差电动势可由（1）式确定。
∆U =αp ,n (T 1－T 2) （1）其中αp ,n 为由半导体材料性质所决定的相对塞贝克系数。高温端的吸热和低温端的放热可由（2）式描述[3]。
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p n p n
Q IT λT I r Q IT λT I r
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基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目；项目名称：影响半导体温差发电输出特性的关键因素研究；项目编号：201910649024。作者简介：冯倩倩（1999— ），女，四川广安人，本科生；研究方向：半导体物理及器件。*通信作者：肖啸（1975— ），男，四川宜宾人，博士，教授；研究方向：微纳光子学、光电器件。
摘 要：半导体温差发电技术无机械活动装置，能够直接将热能转换为电能，具有无噪音、低成本等优点而受到重视。文章从
分析半导体温差发电原理出发，推导了温差发电效率的理论公式，得到了高低温热源温差和负载匹配系数对效率的影响关系曲线，并以此为指导设计了相应的实验方案进行了验证，实验数据与理论分析具有相同的变化趋势，二者符合较好。关键词：半导体；温差发电；转换效率；温差；匹配系数半导体温差发电转换效率研究
冯倩倩，杨浩钦，韩娅钟，冷 敏，肖 啸*
（乐山师范学院 数理学院，四川 乐山 614000）
其中∆T =T 1－T 2，是高低温热源温度差,λ为材料的热导
率，
r 0为发电单元内阻。图1 半导体温差发电示意图
2 半导体温差发电效率分析
温差发电效率可由输出功率和高温热源吸热之比值定
义。若输出负载等效电阻为R ，其输出功率为I 2R ，
则温差发电效率为：
'
22,10
12
p n I R αIT λT I r K
（3）
定义匹配系数m =R /r 0，优质系数2,0/p n Z αr λ
，
则可将上式改写为：
()()211111T m T m T m T ZT ∆ η=
+∆ +−+
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由于优质系数Z 与半导体温差发电片本身性质有关，在
此仅分析温差∆T 和匹配系数m 对发电效率的影响。图2显示了m 和∆T 对发电效率的影响关系曲线，从中可看出，对于同一m 值，发电效率随着∆T 的增加而提高；而当∆T 固定时，效率的最大值出现在匹配系数为1.2~1.4之间。图3显示了最佳匹配条件下效率随∆T 的变化关系，从中可看出，在分析温度范围内，二者之间呈现线性关系，同时还可看出在同一∆T 时，效率随T 1
的增加而减小。
图2 m 和∆T 对效率的影响
3 验证与分析
由前面的理论推导与分析可知，提高温差∆T 和优化匹配系数m 均能提高半导体的温差发电效率。为验证上述分析结果，本文设计了不同的实验方案，因篇幅限制，文中仅选取部分方案进行分析。
图3 最优匹配条件下∆T 对效率的影响
为增加温差∆T ，可采用的措施有提高高温热源温度T 1和降低低温热源温度T 2。在外界热源固定的情况下，可以通过改变吸热和散热结构的方法增大T 1和降低T 2，比如增大吸、散热结构的面积和形状，改变吸、散热结构的材质等等。表1显示了在吸热结构不变的情况下，采用不同的散热结构降低低温热源T 2从而增大∆T ，从表中可以看出插片式散热结构具有更高的效率，其原因在于该结构能获得更好的散热效果。
在固定吸、散热结构形状不变情况下，采用铜和铝作为吸、散热材料，实验结果显示采用铜结构的温差发电单元具有更高的发电效率，这是因为铜具有更好的热传导系数。
保持半导体温差发电单元不变，改变负载电阻从而获得不同的匹配系数，实验结果如表2所示，由表中数据可知，实验数据变化趋势与前面的理论分析一致。
表1 散热结构形状对效率的影响
散热结构T 1（K ）
T 2（K ）中央排水系统
I （A ）
R （Ω）
理论效率实际效率叠片式358.8339.50.18 3.2 1.5%0.17%插片式
357.6
333.3
0.21余热制冷
3.2
1.9%
0.23%
真空超导散热器表2 不同匹配系数条件下的发电效率
m 0.60.8 1.0 1.2 1.3 1.4 1.5理论效率 1.42% 1.74% 1.82% 1.90% 1.95% 1.92% 1.86%实际效率
0.14%
0.17%
0.19%
0.21%
0.22%
0.20%
0.19%
4 结语
本文基于半导体温差发电原理，从理论上推导了温差发电效率公式，并分析了影响效率的因素，提出了增强发电效率的改进措施—提高温差和优化匹配系数，并拟定了相应
的实验方案，尽管在实验中获得的最大发电效率与理论值偏
差较大，但从整体评价实验数据的变化趋势可知，实验结果与理论分析在定性上符合较好。
（下转第114页）
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（编辑王雪芬）
Research on the construction of desktop virtualization in university computer LABS
Zhang Yuanyuan,Feng Guangnan
（Anhui Technical College of Industry and Economy, Hefei 235100,China）
Abstract：The traditional high efficiency computer laboratory has configured computers for each stu
dent, but this architecture pattern has a series of problems in practical application, such as high cost, difficult management and more time and space constraints. Computer desktop virtualization technology application can make computer lab in colleges and universities through a remote service provides a very convenient way of using to all students, students can not restricted by time and place of the general situation of the convenient access to a virtual desktop, and then to the remote server operation, this architecture model of lower overall costs and management more efficient. This article introduces the virtual desktop from the perspective of demand, function and construction method.
Key words：university computer laboratory;desktop virtualization; the construction method
（上接第109页）
[参考文献]
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（编辑傅金睿）
Study on the conversion efficiency of semiconductor thermoelectric generation
Feng Qianqian, Yang Haoqin, Han Yazhong, Leng Min, Xiao Xiao*
（College of Mathematics and Physics, Leshan Normal University, Leshan 614000, China）
Abstract：In recent years, semiconductor thermoelectric generation technology has attracted more and more research interests, because it can directly convert heat into electricity, has no mobile mechanical devices, no noise, low cost and other advantages. In this paper, the theoretical formula of thermoelectric conversion efficiency will be derived firstly based on the principle of semiconductor thermoelectric generation. Then, from the formula, we obtained the relation curve of temperature difference between the high and low temperature heat sources and matching coefficient on efficiency.
Finally, the test data proved to have the same trend as the theoretical analysis by experimental verification
Key words：semiconductor; thermoelectric generation; conversion efficiency; temperature difference; matching coefficient
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